2.2　生物沼气制备与利用

2.2.1　厌氧消化原理及工艺

厌氧消化是一种利用在无氧或缺氧环境下生长于污水、污泥和垃圾中的厌氧微生物群（接种物）的作用，在厌氧条件下使有机物（如碳水化合物、脂肪、蛋白质等消化底物）经水解液化、气化而分解成稳定物质（CH₄和CO₂等），同时使病菌、寄生虫卵被杀灭，达到减量化、无害化和资源化的复杂生物化学序列反应过程。

2.2.1.1　厌氧消化理论

厌氧消化过程是一个非常复杂的，由多种微生物共同作用的生化过程。对厌氧消化的生化过程一般有两阶段理论、三阶段理论和四种群理论。

（1）黑体后两阶段理论

该理论是由Thumm Reichie（1914）和Imhoff（1916）提出，经Buswell NeaVe完善而成的，它将有机物厌氧消化过程分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段。两阶段理论如图2-19所示。

在第一阶段，复杂的有机物（如糖类、脂类和蛋白质等）在产酸菌（厌氧和兼性厌氧菌）的作用下被分解成为低分子的中间产物，主要是一些低分子有机酸（如乙酸、丙酸、丁酸等）和醇类（如乙醇），并有H₂、CO₂、、H₂S等物质产生。由于该阶段有大量的脂肪酸产生，使发酵液的pH值降低，所以此阶段被称为酸性发酵阶段，又称为产酸阶段。

在第二阶段，产甲烷菌（专性厌氧菌）将第一阶段产生的中间产物继续分解成CH₄、CO₂等。由于有机酸在第二阶段的不断被转化为CH₄、CO₂等，同时系统中有存在，使发酵液的pH值升高，所以此阶段被称为碱性发酵阶段，又称为产甲烷阶段。

因为有机物厌氧消化的最终产物主要是CH₄和CO₂，而CH₄的能量含量很高，所以有机物厌氧消化过程释放的能量比较少，这与好氧反应不同，好氧反应的主要产物是CO₂和H₂O，H₂O是一般反应的最终产物，含能低，在反应的过程中自身将释放大量的能量，所以好氧反应的温度较高，而厌氧反应若要维持较高的温度，将从外界输入热量。

厌氧消化的两阶段理论，几十年来一直占统治地位，在国内外厌氧消化的专著和教科书中一直被广泛应用。

（2）黑体后三阶段理论

随着厌氧微生物学研究的不断进展，人们对厌氧消化的生物学过程和生化过程的认识不断深化，厌氧消化理论得到不断发展。1979年，M.P.Bryant（布赖恩）根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，在两阶段理论的基础上，提出了三阶段理论。该理论将厌氧发酵分成三个阶段，三个阶段有不同的菌群。该理论认为产甲烷菌不能利用除乙酸、H₂、CO₂和甲醇等以外的有机酸和醇类，长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、H₂和CO₂后，才能被产甲烷菌利用。三阶段理论突出地表明氢的产生和利用在发酵过程中占有的核心地位，较好地解决了两阶段理论的矛盾。

第一阶段，水解和发酵。在这一阶段中复杂有机物在微生物（发酵菌）作用下进行水解和发酵。多糖先水解为单糖，再通过酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸等。蛋白质则先水解为氨基酸，再经脱氨基作用产生脂肪酸和氨。脂类转化为脂肪酸和甘油，再转化为脂肪酸和醇类。

第二阶段，产氢、产乙酸（即酸化阶段）。在产氢产乙酸菌的作用下，把除甲酸、乙酸、甲胺、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物，如脂肪酸（丙酸、丁酸）和醇类（乙醇）等水溶性小分子转化为CH₃COOH、H₂和CO₂。

第三阶段，产甲烷阶段。甲烷菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和（H₂+CO₂）等基质通过不同的路径转化为甲烷，其中最主要的基质为乙酸和（H₂+CO₂）。厌氧消化过程约有70%甲烷来自乙酸的分解，少量来源于H₂和CO₂的合成。

从发酵原料的物性变化来看，水解的结果使悬浮的固态有机物溶解，称为“液化”。发酵菌和产氢产乙酸菌依次将水解产物转化为有机酸，使溶液显酸性，称为“酸化”。甲烷菌将乙酸等转化为甲烷和CO₂等气体，称为“气化”。

三阶段理论是目前厌氧消化理论研究相对透彻，相对得到公认的一种理论（陈坚，1999）。三阶段理论如图2-20所示。

（3）黑体后四种群理论

1979年，J.G.Zeikus在第一届国际厌氧消化会议上提出了四种群理论（四阶段理论）。该理论认为参与厌氧消化的，除水解发酵菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌外，还有一个同型产乙酸菌种群。这类菌可将中间代谢物的H₂和CO₂（甲烷菌能直接利用的一组基质）转化成乙酸（甲烷菌能直接利用的另一组基质）。厌氧发酵过程分为四个阶段，各类群菌的有效代谢均相互密切连贯，达到一定的平衡，不能单独分开，是相互制约和促进的过程。四种群理论如图2-21所示。

由图2-19、图2-20可知，复杂有机物在第Ⅰ类菌（水解发酵菌）作用下被转化为有机酸和醇类，有机酸和醇类在第Ⅱ类菌（产氢产乙酸菌）作用下转化为乙酸、H₂/CO₂、甲醇、甲酸等。第Ⅲ类菌（同型产乙酸菌）将少部分H₂和CO₂转化为乙酸。最后，第Ⅳ类菌（产甲烷菌）把乙酸、H₂/CO₂、甲醇、甲酸等分解为最终的产物——甲烷和CO₂。在有硫酸盐存在的条件下，硫酸盐还原菌也将参与厌氧消化过程。

2.2.1.2　厌氧发酵微生物

参与厌氧发酵的细菌种类繁多，根据微生物能否直接产生甲烷，可将微生物分为产甲烷菌和不产甲烷菌两大类。

（1）黑体后产甲烷菌及其作用

产甲烷菌（methanogen）是一种形态多样，具有特殊的细胞成分和产能代谢能力的严格厌氧的古细菌。其作用是将H₂、CO₂及乙酸等少数几种简单有机物转化成CH₄。产甲烷菌在自然界中分布极为广泛，在与氧气隔绝的环境中几乎都有甲烷细菌生长，如海底沉积物、河湖淤泥、水稻田以及动物的消化道等。产甲烷菌作为厌氧发酵的核心微生物，充当着微生物分解有机物的食物链中最后一个生物体的角色。对于厌氧发酵产沼气的过程有着不可估量的推动力。根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，其分类如表2-5所列。

（2）黑体后不产甲烷菌及其作用

不产甲烷菌包括发酵细菌、产氢产乙酸细菌和同型产乙酸细菌三类，这三类细菌在厌氧消化过程中都起着非常重要的作用。

① 发酵细菌　发酵细菌的作用是代谢有机物的水解产物，并将其转化成一系列有机酸和醇类物质（丙酸、丁酸、乳酸、乙醇、丙醇、丁醇类）。发酵细菌主要包括梭菌属、丁酸弧菌属、拟杆菌属以及真菌等，是一个复杂的兼性和专性厌氧混合细菌群。

② 产氢产乙酸细菌　产氢产乙酸细菌群可将二碳以及二碳以上的醇、酮、芳香族有机酸以及三碳及三碳以上的支链脂肪酸等不可被产甲烷菌利用的代谢产物转化为甲烷。根据产氢产乙酸细菌的作用对象，可将其分为降解丁酸盐的产氢产乙酸细菌和降解丙酸盐的产氢产乙酸细菌，代表细菌分别为沃尔夫互营单胞菌（Syntrophpomoras wolfei）和沃林氏互营杆菌（Syntrophobacter wolinii）。

③ 同型产乙酸细菌　同型产乙酸细菌是一种混合营养型厌氧细菌，代表细菌有伍德乙酸杆菌、威林格乙酸杆菌、乙酸杆菌、嗜热自氧梭菌等。该类细菌在利用有机基质产乙酸的同时，也可利用H₂和CO₂产乙酸。不仅可为食乙酸产甲烷菌提供其所需的营养物质，还可维持厌氧消化系统较低的H₂分压，对厌氧发酵反应有利。

（3）黑体后产甲烷菌与不产甲烷菌间的相互作用

不产甲烷菌通过其自身活动，为产甲烷细菌提供合成细胞所需物质；产甲烷菌利用不产甲烷菌的产物，实现厌氧发酵反应的有序进行。在厌氧发酵体系中，产甲烷细菌与不产甲烷细菌相互依赖，互为彼此营造良好生命活动的条件，同时又相互制约，它们之间的具体作用如下。

① 不产甲烷菌为产甲烷菌提供生长和所需的基质　不产甲烷菌中的发酵细菌将复杂有机物转化为碳酸、挥发性有机酸以及醇类等产物；然后在不产甲烷菌中的产氢产乙酸细菌的作用下，将这些代谢产物转化为H₂、CO₂和乙酸等产甲烷菌所需的营养物质。

② 不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的氧化还原条件　产甲烷菌是严格专性厌氧的，然而进料的过程，难免会将少量的空气带入发酵罐，此外发酵液中也有微量的溶解氧，这对产甲烷菌都是不利的。不产甲烷菌中的兼性厌氧或兼性好氧微生物可通过其生命活动消耗氧，逐步降低发酵罐内的氧化还原电位。

③ 不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质　发酵原料中可能含有长链脂肪酸、苯酚、氰、苯甲酸和重金属离子等物质，这些物质容易引起产甲烷菌中毒。不产甲烷细菌中含有多种能裂解苯环、降解氰化物的物质，不但可解除这些物质对产甲烷菌的毒害作用，还可给产甲烷菌提供碳源和能源。此外，H₂S等不产甲烷菌的代谢产物，还可以和某些重金属离子形成金属硫化物沉淀，从一定程度上解除了重金属对厌氧体系的毒害。

④ 不产甲烷菌和产甲烷菌共同维持环境中适宜的pH值　在发酵初期，废水（物）中的有机物被不产甲烷细菌分解，产生大量的有机酸；产生的CO₂也溶于水形成碳酸盐，使得发酵液的pH值逐渐下降。此外，不产甲烷菌中的氨化细菌迅速进行氨化反应，产生的氨可中和部分有机酸，起到一定的缓冲作用；乙酸、氢和CO₂等产物在产甲烷菌的作用下转化为CH₄，可消耗发酵液中的酸和CO₂，从而将发酵液的pH值稳定在一个适宜的范围。

⑤ 产甲烷菌为不产甲烷菌的生化反应解除反馈抑制　不产甲烷菌中的产酸细菌在产酸的过程中会产生大量的氢，系统氢气分压较高时会抑制产氢过程的进行。在运行正常的厌氧系统中，产甲烷菌可利用不产甲烷菌所产生的H₂、CH₃COOH、CO₂等产物，从而解除因氢和酸的积累而引发反馈抑制的情况，保证了不产甲烷细菌的正常代谢。

2.2.1.3　厌氧发酵环境因素

（1）黑体后温度

温度是影响微生物生命代谢活动的重要因素。污泥厌氧发酵过程是微生物将污泥中的有机质转化为目标产物的代谢过程。通过温度策略可控制厌氧发酵产酸效率，这是因为温度可从以下几个方面影响发酵过程：a.微生物的种群结构；b.微生物的生长速率；c.酶活的高低；d.生化反应的速率；e.基质降解速率。厌氧消化过程主要由细菌完成。厌氧水解酸化细菌可适应的温度范围较广，可在低温、中温和高温，甚至更高的温度（100℃）条件下生存。因此，按温度范围不同可将厌氧发酵分为：低温厌氧发酵（15～20℃）、中温厌氧发酵（30～35℃）和高温厌氧发酵（50～60℃）三种类型。国内外针对温度影响因素的研究，主要是从生物可降解有机质的溶出率、有机物质的降解速率、代谢产物构成比的影响和发酵过程稳定性方面来探讨的。

厌氧发酵运行于不同温度条件下，污泥酸化效率的差异也较大。多数研究者报道，高温运行条件下可增大乙酸在总酸中的构成比及显著提高厌氧消化速率，从而缩短污泥停留时间，提高厌氧发酵生产强度。但是，高温运行发酵方式耗热量多，过程不稳定，运行管理要求也比其他两种发酵类型高而且复杂。此外，高温条件下有生物活性的水解产酸菌种群和数量都较少，导致发酵过程不稳定；并且温度的波动对酸化产物的影响也较大。上述缺点限制了这一发酵类型的扩大运用。

中温厌氧发酵方式基本不存在高温厌氧发酵方式上述的缺点，并且中温发酵反应速率较快，所需发酵时间又比低温发酵短，再加上反应温度适中，故目前在厌氧生物处理中大多采用中温发酵。近年来，众多研究者针对中低温条件下有机质的降解速率和酸化效率开展了有关的研究。如Banerjee等考察了22～35℃范围内温度对初沉污泥和工业废水混合物（1∶1）水解和酸化的影响。结果表明，水力停留时间（HRT）为30h，挥发性短链脂肪酸（VFAs）和SCOD的产量在温度为22～30℃范围内随温度升高有所增加，其中VFAs产量提高了15%。但是，当温度继续上升至35℃时，其产量却有所下降。中低温厌氧发酵方式的缺点就是底物中颗粒有机物质的水解往往成为厌氧发酵的限速步骤，这在低温厌氧发酵方式中更为突出。

（2）黑体后pH值

pH值是厌氧发酵过程中最重要的环境因子之一。产酸发酵细菌都存在一个适宜生长的pH值范围，超出这个范围将导致其生理活性丧失。此外，同一产酸发酵细菌由于环境pH值不同，生长繁殖的速率和代谢途径均可能发生改变，进而累积不同的代谢产物。因此，虽然厌氧发酵产酸过程可在pH值为3.0～12.0的范围内进行，但是不同的pH值条件能够导致酸化产物的种类和含量不同。任南琪等认为，pH值可以决定厌氧发酵产酸类型，如图2-22所示。Horiuchi等以葡萄糖作底物接种污泥厌氧发酵产酸。结果表明，当pH值为6左右时，酸化产物以丁酸为主；而当pH值为8时，主要产物则转变为乙酸和丙酸。Zhu等以酪丁酸梭菌（Clostridium tyrobutyricum）厌氧发酵木糖产酸，发现pH值为6.3时，丁酸为主要产物；pH值为5.0～5.7时，以产乙酸和乳酸为主。因此，得出控制厌氧发酵过程在不同的pH值条件可得到不同发酵产酸类型的结论。需要说明的是这些研究基本上都以碳水化合物或富含碳水化合物的有机废水作为底物，由此得出的结论可能并不适用于指导富含蛋白质的有机废水或有机废物如污泥的厌氧发酵产酸过程。

结果表明，污泥中总固体和有机质的去除率，VFAs的产量在pH值控制条件下都要高于不控制条件；且以活性污泥为底物产生的VFAs要高于初沉污泥。由此得出控制pH值在6.5左右可以使活性污泥水解发酵产酸最大化。Yu等考察了pH值在4.0～6.5范围内变化时城市污泥的水解和发酵产酸情况，发现有机质的去除率和VFAs的产量都随着pH值的提高而增加。值得注意的是，有关厌氧发酵产酸的最适pH值，不同研究者得出的结论并不一致。大部分研究者认为pH在弱酸性或接近中性条件下比较适合厌氧发酵产酸。如Banerjee等研究发现污泥发酵pH值为4.5左右时，可获得较高的VFAs产量，此时其值为1.181mg/L。Lin等认为要提高高分子量的VFAs构成比，则适宜的pH值在5.8～6.2之间；若pH朝酸性方向移动，则导致低分子量的VFAs比例增大。然而，国内有部分研究者却得出碱性条件更有利于污泥厌氧发酵产酸的结论。如，肖本益等和苑宏英等考察了pH值为4.0～11.0范围内，pH值对剩余活性污泥厌氧发酵产酸的影响。结果发现，厌氧发酵8d，pH值为9.0及10.0时，总VFAs的产率要明显高于酸性和中性条件；总酸最大产率出现在pH值为10.0条件下，为256.2mgVFAs/gVS。她（他）们认为VFAs产率在强碱性条件下优于酸性和中性条件，原因可归于2个方面：a.有机质的融出率在碱性条件下得以显著提高；b.VFAs消耗途径即产甲烷过程在强碱性条件下被阻断。这些结论与蔡木林等和肖本益等的结论是一致的。

（3）黑体后氧化还原电位

微生物引起的各种生物化学反应都是在特定的氧化还原电位范围内发生和完成的。因此，氧化还原电位对于微生物生命过程中的生物化学体系具有极其重要的影响。发酵体系中的氧化还原电位是由所有能形成氧化还原电对的化学物质的存在状态决定的。厌氧发酵水解产酸细菌可存活的氧化还原电位（ORP）在-400～100mV之间。任南琪等认为形成不同发酵类型的微生物优势菌群所需的ORP范围不同。比如，丙酸型优势菌群所需ORP在-200～100mV之间；丁酸型优势菌群在-350～-200mV和-450～-200mV之间。因此，在启动时可通过控制ORP形成不同的厌氧产酸类型，如图2-22所示。由于污泥中的成分较为复杂，能形成氧化还原电位的化学物质不易确定，通过控制ORP形成不同的发酵产酸类型可能难以实现。有部分研究者在对污泥进行预处理时，发现体系中的ORP与SCOD具有较好的相关性。因此，Chang等提出可通过ORP来在线检测污泥的水解效率。

（4）黑体后水力停留时间

水力停留时间（HRT）是厌氧消化反应器运行控制的重要操作参数之一，是表征底物同微生物接触时间的工艺参数。早在1975年，Ghosh等就开展了有关HRT对厌氧酸化效率影响的研究工作。Dinopoulou等认为HRT能够影响厌氧产酸效率，而Fang和Yu则发现HRT对底物酸化效率并无显著的影响。这些研究者的结论之所以不同，可能是因底物的性质差异所导致的。如Fang和Yu进一步研究发现HRT对于简单的可溶性底物厌氧发酵产酸效率影响并不明显。Penaud等发现复杂底物受HRT的影响较为显著。在连续运行无污泥回流的初沉污泥和剩余活性污泥的厌氧产酸反应装置中，水力停留时间实际上就是污泥在反应器中平均的停留时间。因而HRT越长，难降解的有机物质与水解产酸微生物接触时间也越长，有机质的水解效率也随之提高。Eastman等考察了HRT在9.0～72.0h范围时，污泥中COD的融出率。结果发现，SCOD的浓度随HRT的延长而提高。此外，HRT还可以影响污泥厌氧发酵产酸。如Lilley等研究发现，当HRT少于10d时，污泥中17%～20%的COD可发酵转化为VFAs。Elefsiniotis和Oldham研究也发现HRT能够影响污泥总酸产率。在他们的研究结果中，HRT为12h时取得的总酸产率最大，为0.12mgVFAs/（mgVS·d）。但是他们还发现HRT的变化并不能促使VFAs的主要组成改变，当HRT在6～15h范围内变化时，产生的VFAs主要组成总是乙酸与丙酸，分别占总酸的46%和32%左右。

（5）黑体后污泥停留时间

污泥停留时间（SRT）也称为污泥龄。同HRT一样，SRT也是反应器运行的重要参数之一。在没有污泥回流的连续运行反应装置中，HRT与SRT几乎是相同的。Skalsky等研究探讨了SRT分别为2d、3d、4d、5d和6d时，SRT对污泥厌氧发酵产酸的影响。结果表明，SRT为5d时，总酸产率最大，为0.26mgVFAs/mgVS。Elefsiniotis和Oldham研究了SRT对污泥发酵产酸的影响，结果发现SRT从10d延长到20d，总酸浓度随SRT的提高稍有增大，但当SRT从10d减小到5d时，总酸产量却急剧下降；脂肪酸构成比随SRT的改变呈不同的变化，乙酸和丙酸随SRT延长而减少，而戊酸则相反。Elefsiniotis在研究中也发现，VFAs组成分布受到SRT的影响，特别是当SRT为10d时，高分子量的VFAs中异丁酸、正戊酸和异戊酸的含量较其他SRT条件增加显著。Miron等研究了SRT对污泥中的蛋白质、碳水化合物及脂类物质的水解和酸化效率影响。结果发现，脂类和碳水化合物的水解效率随SRT的增大而提高，而蛋白质的水解仅存在于产甲烷过程中。

（6）黑体后营养元素

营养元素是厌氧微生物生长过程中必需的，能够影响底物厌氧消化效率及反应器的运行特性。C和N是厌氧微生物最主要的两种营养元素，习惯上用C/N来表示二者在基质中的配比。与好氧微生物一样，厌氧水解产酸细菌同样需要一个合适的C/N。就C/N对厌氧发酵产酸的影响，不同研究者看法不一。如Kayhanian和Rich认为城市生活垃圾如果C/N高于30则会导致N缺乏。然而，Tuomela等却认为50～70是生活垃圾厌氧消化适宜的C/N值。需要说明的是，绝大多数有关底物C/N对污泥厌氧发酵影响的研究是基于以甲烷为目标产物的。这些结果是否适用于污泥厌氧发酵产酸有待于进一步研究。除了C、N、P、K和S这些宏量元素外，厌氧微生物还需要一些Fe、Co、Mn、Cu、Ni和Se等微量元素。

（7）黑体后基质微生物比

厌氧生物处理过程中的基质微生物比，在实际应用中常以有机负荷（COD/VSS）表示，单位为kg/（kg·d）。有机负荷对厌氧产酸过程的影响主要表现在底物降解和产物生成的速率方面。在污泥厌氧发酵产酸过程中，往往采用高有机负荷，从而达到改善产酸效率，缩短发酵周期的目的。然而，有机负荷并不是越高越好。如任南琪等研究发现污泥浓度为6%时产生的VFAs明显高于污泥浓度为18%和30%时产生的VFAs，表明适宜的污泥浓度对加快产酸发酵启动速率，缩短反应周期是有利的。此外，多数厌氧发酵产酸研究采用提高有机负荷的方法是基于此条件下水解发酵产酸细菌的生长要快于产甲烷菌进行的，进而使得产酸菌在厌氧发酵的初始阶段迅速富集起来，导致产甲烷菌消耗乙酸的过程受到抑制，从而促使VFAs的累积。

2.2.1.4　厌氧消化工艺

根据工艺参数不同分成不同的类型：a.发酵天数；b.发酵固含率；c.发酵温度；d.级数（单级对多级）。工艺参数的决定最终取决于现场的实际情况和工程目标，关键工艺参数分述如下。

（1）黑体后按照固含率可分为湿式、干式

湿式：垃圾固含率10%～15%。

干式：垃圾固含率20%～40%。

湿式单级发酵系统与在废水处理中应用了几十年的污泥厌氧稳定化处理技术相似，但是在实际设计中有很多问题需要考虑，特别是对于机械分选的城市生活垃圾，分选去除粗糙的硬垃圾、将垃圾调成充分连续的浆状的预处理过程非常复杂，为达到既去除杂质，又保证有机垃圾进入正常的处理的目的，需要采用过滤、粉碎、筛分等复杂的处理单元。这些预处理过程会导致15%～25%的挥发性固体损失。浆状垃圾并不能保持均匀的连续性，因为在消化过程中重物质沉降，轻物质形成浮渣层，导致在反应器中形成了三种明显不同密度的物质层。重物质在反应器底部聚集可能破坏搅拌器，因此必须通过特殊设计的水力旋流分离器或者粉碎机去除。干式发酵系统的难点在于：其一，生物反应在高固含率条件下进行；其二，输送、搅拌固体流。但是在法国、德国已经证明对于机械分选的城市生活有机垃圾的发酵采用干式系统是可靠的。Dranco工艺中，消化的垃圾从反应器底部回流至顶部。垃圾固含率范围20%～50%。Kompogas工艺的工作方式与Dranco工艺相似，只是采用水平式圆柱形反应器，内部通过缓慢转动的桨板使垃圾均质化，系统需要将垃圾固含率调到大约23%。而Valorga工艺显著不同，同为在圆柱形反应器中水平塞式流是循环的，垃圾搅拌是通过底部高压生物气的射流而实现的。Valorga工艺优点是不需要用消化后的垃圾来稀释新鲜垃圾，缺点是气体喷嘴容易堵塞，维护比较困难。Valorga工艺产生的水回流使反应器内保持30%的固含率，且亦能单独处理湿垃圾，因为固含率在20%以下时重物质在反应器内发生沉降。

（2）黑体后按照阶段数可分为单级、多级

目前，工业上一般用单级系统，因为设计简单，一般不会发生技术故障。并且对于大部分有机垃圾而言，只要设计合理，操作适当，单级系统具有与多级系统相同的效能。

（3）黑体后按照进料方式分为序批式、连续式

序批式：消化罐进料、接种后密闭直至完全降解，之后，消化罐清空，并进行下一批进料。

连续式：消化罐连续进料，完全分解的物质连续从消化罐底部取出。

（4）黑体后按反应温度分为高温和中温

中温厌氧反应器反应温度较低，所以降解相同水平的有机物，一般停留时间要长（15～30d）。中温厌氧反应器产气率低，尽管生物反应过程比较稳定，但长停留时间需要更大的容积和更高的成本。高温厌氧反应器产气率高，停留时间短（12～14d），反应器容积小，但维修成本高。不同类型的厌氧反应器在市场中占的份额也不同。中温消化、高温消化都是可行的技术，实际运行的处理厂，中温消化占62%；湿式、干式系统各占一半；而单级消化、两相消化的密度相差大，其中两相消化占10.6%。厌氧消化技术在国外应用已相当广泛，据统计，到目前为止，已有大约117个垃圾处理厂采用厌氧消化工艺，其中90个已在运行，27个还在建设过程中，这些厂的处理能力都在2500t/a以上。主要分布在澳大利亚、丹麦、德国等国家，采用此工艺的公司主要有澳大利亚的Entech公司、德国的BAT公司、瑞士的Kompogas公司、丹麦的Kruger公司等。目前国内正在建设的北京市董村分类垃圾综合处理厂（650t/d）和上海市普陀区生活垃圾处理厂（800t/d）主要工艺采用厌氧发酵技术。

2.2.2　厌氧消化技术的工程应用

（1）黑体后Valorga干法厌氧消化工艺

本工艺是由法国Steinmueller Valorga Sarl公司开发，采用垂直的圆柱形消化器，是一项成熟工艺，其工艺如图2-23所示。反应器内垃圾固含率25%～35%，停留时间22～28d，产气量80～180m³/t。消化后的固体稳定化需要进行10～21d的好氧堆肥。针对城市生活垃圾厌氧消化中存在的搅拌难、固体含量高抑制反应活性等特点，20世纪80年代后期Valorga工艺朝面向全部种类的垃圾发展。该工艺采用渗滤液部分回流与沼气压缩搅拌技术，具有比较好的经济与环境效应。中温（如Amien垃圾处理厂）或高温消化（如Freiburg垃圾处理厂）在该工艺中均有采用，垃圾平均产气量110m³/t。目前世界上有十几个采用该工艺的垃圾处理厂，见表2-6。

（2）黑体后BRV干法厌氧消化工艺

BRV厌氧消化工艺最早是由瑞士的一家环保公司研制开发的，并于1994年在瑞士的Baar成功建设了第一个利用该工艺的有机垃圾处理厂，年处理有机垃圾18000t，其工艺如图2-24所示。由于该工艺具有很高的生态环保性，其先进的工艺技术具有较大的市场潜力，符合欧洲对有机垃圾处理日益严格的环保标准。德国Linde公司根据市场的发展需要，收购了该公司并对该专利工艺进行了整合。当时的厌氧技术还不是很成熟，Linde公司对其采取了严谨的完善措施，并于1996年首先在德国Eurasburg的Quarzbichl进行了处理规模为4t/d的小试，1997年在德国的Ravensburg进行了处理规模为1500t/a的中试，以进一步完善工艺并确保该技术的适用性。在该工艺的干式消化过程中，有机垃圾经过分拣破碎等预处理后，与部分已经消化的物料混合，通过进料系统送入消化反应器内。消化物料的固含率在20%～35%之间，消化反应器内的物料可通过气体或机械搅拌等方式进行搅拌，物料经过25～30d的厌氧消化后，由出料系统排出罐体，送入脱水系统进行脱水。在消化期间大约有60%的有机物被转化为生物气，可进行能源利用。BRV卧式厌氧消化工艺成为德国目前最新的厌氧消化工艺，已经在欧洲多个垃圾处理厂实施，并取得了良好的运行效果。采用BRV工艺的垃圾处理厂见表2-7。

（3）黑体后Linde湿法处理工艺

Linde湿式厌氧消化技术属于单级厌氧消化技术，是典型的完全混合消化反应器。该工艺最早于1968年开发，好氧消化，好氧处理工业废水、粪便。自1975年开始进行粪便的厌氧处理，食品工业废水的好氧和厌氧处理，复杂的多级废水处理；自1991年对居民分类生物垃圾的湿法消化工艺，包括消化残渣的脱水和滤液的处理；从1993年起应用粪便与工农业有机垃圾的联合消化工艺；1996年应用于剩余污泥与工业/市政有机垃圾的联合消化；1999年开始形成最终废物的机械生物处理工艺、有机残渣的生物稳定化和熟化工艺。垃圾处理的配套工艺包括机械预处理、堆肥、废气和废水的处理。消化罐内总固体浓度在8%～15%，可以进行高温或中温消化反应。其特征是在反应器中心设有一个用于气体循环的管道；消化残渣的污染物已于前处理环节分离，因此残渣可以用于生产高质量的有机肥。主要适用于处理泔水、生活污水处理厂的污泥、园林绿化垃圾以及有机垃圾等。采用Linde工艺的处理厂见表2-8。

（4）黑体后瑞士Kompogas（康保士）工艺

本工艺是干式、高温厌氧消化技术，由瑞士Kompogas AG公司开发，处于发展阶段，其工艺如图2-25所示。目前，在瑞士、日本等国家建立了大约18个垃圾处理厂，其中年处理量10000t以上的有12个。有机垃圾首先经过预处理达到以下要求：固含率30%～45%，挥发性固体含量55%～75%。粒径<40mm，pH值为4.5～7，凯氏氮<4g/kg，C/N>18。然后进入水平的厌氧反应器进行高温消化。消化后的产物含水率高，首先进行脱水，压缩饼送到堆肥阶段进行好氧稳定化，脱出的水用于加湿进料或作为液态肥料。产生的生物气效益：10000t有机垃圾可产生118×10⁴m³Kompogas气体，其中蕴含的总能量为684×10⁴kW·h，相当于71×10⁴L柴油，可供车辆行驶1000×10⁴km。